Coarderea

Coarderea este o opțiune potențială în utilizarea biomasei, care poate învinge problemele tehnice, sociale și de alimentare. Coarderea biomasei cu alte tipuri de combustibili fosili, mai ales cu cărbune sau lignit, are o deosebită importanță în Danemarca, Olanda și SUA. De exemplu, în SUA, au fost realizate peste 40 de instalații comerciale și s-a demonstrat că în cazul coarderii biomasei cu cărbune a înlocuit potențialul tehnic și economic cu cel puțin 8 GW generare pe cărbune în 2010, și până în 2020 acesta va ajunge la 25 GW, acest lucru poate să reducă emisiile de carbon cu 16 – 24 MtC (milioane tone de carbon). Boilere pe scara largă cu domeniul între 100 MW la 1,3 GW, potențialul biomasei într-un boiler se află între 15 – 150 MW.

Biomasa poate fi amestecată cu cărbune în proporții diferite, variind între 2 – 25% sau mai mult.

Avantajele principale ale coarderii includ:

existența pe piață a centralelor pe cogenerare;

investiții relativ mici în comparație cu centralele care funcționează numai pe biomasă;

flexibilitate mare privind aranjarea și integrarea componentelor principale într-o instalație existentă (adică se utilizează infrastructura și capacitatea unei instalații existente);

impacturi favorabile asupra mediului în comparație cu instalațiile numai pe cărbune;

costuri reduse de materii prime (s utilizează reziduuri agricole, forestiere, culturi energetice, productivitatea crește semnificativ);

disponibilitate potențială de cantitate mare de materii prime (biomasă / deșeuri) care pot fi utilizate în aplicația coardere, dacă logistica de alimentare poate fi rezolvată;

eficiență mai mare privind convertirea biomasei în electricitate în comparație cu 100% boilere pe lemne (33 – 37 % cu ardere pe cărbune);

consimțământ de planificare nu este necesară în cele mai multe cazuri.

Gazeificare

Gazeificarea sau gazeificare termochimică este procesul de convertire al biomasei solide în gaz sau singaz (gaz chimic provenit din materii prime).

Gazeificarea este una din cele mai importante dezvoltări în domeniul generării energiei din biomasă, fiind alternativa principală în combustia directă. Gazeificarea este o conversie tehnologică endotermă, în care combustibilul solid este convertit în gaz. Importanța acestei tehnologii constă în faptul că se profită de avantaje și dezavantaje ale proiectării turbinelor și generatoare de aburi cu recuperare de căldură pentru obținere de înaltă eficiență energetică. Nu este o tehnologie nouă, acest proces se folosește de 2 secole. De exemplu, în anii 1850, Londra a fost iluminată de turnuri de gaz, produs de cărbune gazeificat. În întreaga lume există peste 90 de centrale care funcționează pe gazeificare și peste 60 de producători. Avantajele cele mai importante privind gazeificarea:

eficiență electrică mai mare (cu 40% mai mare în comparație cu arderea 26-30%) la costuri similare;

dezvoltări importante în viitor, cum ar fi turbine pe gaz și pile de combustie;

o posibilă înlocuire a gazului natural sau a motorinei folosită în boilere industriale și cuptoare;

generare de energie distribuită unde necesitatea de putere este redusă;

înlocuirea gazolinei sau a motorinei în motoare cu ardere internă.

Clasificarea metodelor de gazeificare:

Fig 1

Fig 2

Echipament de gazeificare și un exemplu practic

În acest caz se va prezenta o instalație de gazeificare cu pat fix, a cărei funcționare se bazează pe gazeificarea sau combustia unui combustibil solid (fig.3).

Instalație este alimentată cu chipsuri de lemne având dimensiuni între 2,5 – 5 cm; alimentarea instalației se întâmplă de sus; agentul de gazeificare – aer, oxigen, vapori sau amestecul acestora – se întâmplă din partea de jos a instalației. Reacția de gazeificare se întâmplă de jos în sus. Dinspre partea de jos în sus, se formează nivele datorită schimbărilor însoțite de gazeificarea materialului de biomasă. Gazul se obține în partea de sus a instalației.

Fig.3 – Schema principială a unui gazeificator cu pat fix

Piroliza

Caracteristicile pirolizei

În cazul pirolizei, prima dată se va evapora umiditatea la 110oC, apoi se va descompune hemiceluloza la 200 – 260oC, urmat de descompunerea celulozei la 240 – 340oC, și a ligninei la 280 – 500 oC. Când temperatura ajunge la 500oC se termină și reacțiile pirolizei. În (fig.4) este prezentată schema procesului de piroliză.

Interesul direcționat spre piroliză constă în faptul că prin această tehnologie pot fi obținute produse multiple: de ex. combustibil lichid care poate fi stocat și transportat ușor, numeroase chimicale (adezive, chimicale organice, arome) oferind venituri mai mari. Încă în secolul trecut au fost începute cercetările în direcția pirolizei (Kaltschmitt și Bridgwater, 1997). Oricare formă a biomasei poate fi supus acestei tehnologii, totuși celuloza e acel tip de biomasă care dă randamentul cel mai mare 85 – 90% din masa uscată. Uleiul obținut prin această metodă, a fost testat în turbine și motoare de gaz, însă, testarea pe termen lung încă lipsește.

Fig. 4 – Schema procesului de piroliză a biomasei

Carbonizarea

Carbonizarea este metoda sau tehnologia de obținere a cărbunelui de lemn, ca fiind produsul principal al încălzirii biomasei cum ar fi lemne, diferiți coji, bambus, coji de orez, la
400 – 600 oC, în general în lipsa completă sau parțială a oxigenului.

Carbonizarea este transformarea clasică a biomasei în energie, similară cu arderea. Deoarece, obiectivul principal este obținerea unei valori calorice mari al produsului – lemnului de carbon – se compune din lichefierea și din gazeificarea biomasei. Metoda lichefierii este similară cu cea a pirolizei clasice, deoarece „păcura” / gudronul obținută avea randament redus sub 30%, adică de caliate inferioară, procesul a fost exclus cu apariția pirolizei rapidă, care asigură cantități mari de ulei. Metoda de gazeificare privind producerea combustibililor este inferioară proceselor actuale, datorită temperaturii scăzute de reacție.

Gazeificarea hidrotermică

Această metodă constă în tratarea biomasei în apă fierbinte comprimată; apa are temperatura peste 350oC, la o presiune de 200 MPa, la sfârșitul procedurii se obține gazul.

Pe diagrama de fază a apei (fig.5) se observă că echilibrul gaz – lichid începe la tripletul din punctul A și se termină în punctul critic. Condiția hidrotermică se află în jurul punctului critic. Dacă, atât temperatura cât și presiunea este mai mare decât temperatura și presiunea critică, starea se numește apă supracritică și gazeificarea în apa supracritică se numește „gazeificare în apă supracritică”. Această apă fierbinte compresată este caracterizată cu înaltă capacitate de reacție, în cazul așezării biomasei în această apă fierbinte, aflată sub presiune, va avea loc gazeificarea acesteia prin hidroliză și piroliză.

Fig. 5 – Diagrama de fază a apei

Caracteristicile gazeificării hidrotermice

Biomasa umedă se prelucrează cu ajutorul gazeificării hidrotermice. Când biomasa umedă este supus gazeificării, gazeificarea termochimică nu va avea loc datorită conținutului mare de umiditate a acesteia. Pe de altă parte, gazeificarea utilizează apa, ca fiind agent de reacție, deci e un tratament ieftin. Deoarece, în aceste condiții reactivitatea apei este mare, gazeificarea hidrotermică apare rapid și asigură gazeificarea completă a biomasei.

Biometanizarea se folosește pentru obținerea metanului din biomasă, dar, de regulă durează câteva săptămâni până când reacția devine completă, și tratarea materialelor nereacționate poate fi considerată o altă problemă.

Reacția se petrece într-un rezervor uriaș, de unde nămolul nefermentat poate fi folosit pentru compostare, care de asemenea este un reziduu care urmează să fie tratat. Uneori, agenții ca cele alcaline sau cele metalice, catalizatorii de carbon sporesc reacția.

Reactoare folosite pentru gazeificarea hidrotermică

În general se folosesc reactoare tubulare de un volum de câțiva ml și autoclave. În fig. 6 se prezintă un reactor care este folosit în producție industrială.

Fig. 6– Echilibrul termic în reactorul pentru gazeificarea biomasei

Reactorul care se află sub presiune înaltă este alimentat cu biomasă, urmat de încălzirea biomasei la temperatura unde va avea loc reacția. În condiții hidrotermice, biomasa urmează să fie gazeificată, efluentul va fi răcit la temperatura camerei. Căldura obținută va fi captată de schimbătorul de căldură. La temperatura camerei, efluentul este depresurizat până la presiunea atmosferică, iar gazul produs va fi recuperat. Este necesar ca instalația să funcționeze continuă, deoarece, este nevoie de temperaturi înalte pentru a putea atinge condițiile hidrotermice. Temperatura necesară pentru combustia biomasei se menține în gazul produs iar căldura necesară pentru atingerea condițiilor hidrotermice se recuperează, astfel nu va fi necesară creșterea temperaturii din exterior în decursul operației de gazeificare. În practică, eficiența schimbătorului de căldură nu poate fi unitară, și datorită reacțiilor endotermice este necesară aplicarea unei cantități de căldură din exterior.

Eficiența energetică

În cazul reacției ideale fig. 6, eficiența energetică a reacției hidrotermice este unitară. Eficiența energetică a gazeificării hidrotermice este scăzută datorită cantității mari de căldură necesară pentru atingerea condițiilor hidrotermice.

Lichefierea hidrotermică

Lichefierea hidrotermică este de fapt piroliză care se petrece în apa fierbinte comprimată, aprox. la 300oC și 10 MPa. Biomasa se va converti în gaz, lichid sau solid, ca și în cazul pirolizei clasice.

Caracteristicile lichefierii hidrotermice

Deoarece lichefierea are loc în apă, nu este necesar uscarea materiei prime. De aceea, această procedură este aplicabilă biomaselor cu conținut mare de apă, cum ar fi biomasa acvatică, gunoiul, nămolul organic, etc. astfel, pot apărea diferite reacții la diferite temperaturi. În fig. 7 se prezintă reacțiile care au loc în apa fierbinte comprimată.

Fig. 7 – Reacții în apa fierbinte comprimată

La 100oC se dizolvă fracția solubilă în apă, căreia i se aplică extracția. Hidroliza apare la 150oC, și polimerii se vor degrada în monomeri, adică celuloza, hemiceluloză, proteinele. În jur de 200 oC și 1 Mpa, solidul se transformă în pastă, nămol, iar la 300oC se obțin produsele uleioase.

Schema de reacție a lichefierii hidrotermice

În fond, lichefierea hidrotermică este piroliză, schema de reacție se prezintă mai jos (fig.8).

Fig. 8 – Schema simplificată a lichefierii

În primul pas, biomasa se descompune în materiale dizolvabile în apă, care apoi, se polimerizează în uleiuri, dacă reacția se prelungește, uleiul format se va transforma în cărbune.

Cogenerare căldură – energie (CHP)

De peste 100 de ani se cunoaște tehnologia cogenerării. Mai multe instalații de cogenerare au funcționat încă în secolul al IX-lea, dar mai multe au fost abandonate din cauza dezvoltării tehnologiei.

Prin CHP se obține simultan energie electrică și termică, din aceeași sursă.

În esență, CHP-urile conțin un schimbător de căldură care absoarbe căldura produsă, care de altfel s-ar pierde, prin generatorul existent. Energia capturată, se va utiliza pentru a pune în mișcare un generator electric. CHP-ul devine important din următoarele motive:

eficiență energetică – CHP are o eficiență de peste 85% în comparație cu utilitățile electrice tradiționale care au eficiență de 35 – 55 %.

protecția mediului înconjurător;

decentralizarea energetică.

Pentru obținerea energiei electrice din biomasă, energia provenită din biomasă este transformată în energie cinetică care urmează să acționeze un dinam, producând energie electrică. Metoda principală prin care se transformă energia biomasei în energie cinetică este următoarea:

prin încălzirea biomasei se produce abur, care va pune în mișcare o turbină;

prin piroliză sau prin degradare microbiană a biomasei se formează gazul de combustie, pornind turbina pe gaz sau motorul pe gaz;

În ambele cazuri, căldura obținută prin combustie va fi transformată în energie cinetică.

Aburii care se află la înaltă temperatură și presiune vor fi utilizați pentru încălzirea apei. Colectarea și furnizarea căldurii este mai ușor de realizat la temperaturi și presiuni mai mici. Aburul și apa fierbinte de asemenea pot fi utilizate în CHP, cu ajutorul unui boiler. În cazul proceselor la turbine și boilere, se obține 2,000 kW de energie electrică, iar în cazul gazeificării și procesele de motoare, se obține 50 kW sau mai multă energie electrică.

De exemplu, în fig. 9, se prezintă un CHP de scară mică, unde combustibilul este rest lemnos, de la o fabrică de mobilă; prin piroliză și gazeificare se produce electricitate, apă caldă, apă rece, care este refolosit de fabrică. Diagrama de proces se redă în figura de mai jos (fig.9).

Fig.9 – Diagrama de proces

Puterea electrică brută la ieșire este 175 kW iar puterea netă 157 kW. Căldura la ieșire este: 174 kW sub formă de aer cald la 67oC, 116 kW sub formă de apă caldă la 80 oC și 70 kW sub apă rece la 7 oC.

Uleiul produs prin lichefiere hidrotermică, are proprietățile prezentate în tabelul 1.

Reacția a fost condusă fără reducerea cantității gazelor de hidrogen și monoxid de carbon, pentru lemne cu catalizator alcaline și pentru nămolul de epurare fără catalizator. Uleiul obținut are o cantitate de oxigen aprox. 20 % procente în greutate, astfel, valoarea calorică max a uleiului este mai mică decât a uleiului obținut din petrol.

Eficiența energetică a lichefierii hidrotermice este în jur de 70% (randamentul energetic = puterea calorică a uleiului obținut / puterea calorică a biomasei).